自2004年英国曼彻斯特大学的两位物理学家首次从石墨中机械分离出石墨烯以来，石墨烯优异的光学、电学、力学特性在诸多领域展示出诱人的应用前景。在微电子学领域，石墨烯更被视为人类从“硅时代”转变为“碳时代”的关键。然而，要实现这一跨越还有许多需要攻克的关键技术难点，石墨烯的“零带隙”问题为其中一个至关重要的技术难点。在过去二十年里，通过量子限域或化学功能化改变带隙的研究探索，尚未能成功制备出半导体石墨烯。
天津大学和美国佐治亚理工学院的研究团队合作研制出世界上第一个功能性石墨烯半导体，成功突破了石墨烯“零带隙”特性，攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题。研究团队创新性地采用准平衡退火方法，通过严格控制生长环境的温度、时间及气体流量，在碳化硅衬底上实现对外延石墨烯生长过程的精确调控从而形成特定的高度有序结构，从而制备出一种带隙约0.6 eV的新型稳定的半导体石墨烯，室温迁移率为5500 cm2V-1s-1，其高达硅半导体的10倍、其他二维半导体的20倍。以该半导体外延石墨烯制备的场效应晶体管开关比高达104，基本满足了现在的工业化应用需求。相关研究成果以题名“Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide”发表于Nature期刊。
该研究成果的通讯作者之一、天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心马雷教授认为，如果能够实现半导体石墨烯单晶的大规模生产，将为人类从“硅时代”进入“碳时代”奠定重要基础。目前半导体石墨烯距离实际应用还比较遥远，要完全实现半导体石墨烯的工业应用，取决于其从毫米级单晶生长到英寸级单晶的进程，可能至少还需要持续研究10-15年。
论文信息：Jian Zhao, Peixuan Ji, Yaqi Li, et al. Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide [J]. Nature, 2024, 625:60–65. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06811-0
信息参考链接：
http://ticnn.tju.edu.cn/info/1052/1516.htm
https://mp.weixin.qq.com/s/w3d8lFpJ0AlDkx-eudXszw
http://news.tju.edu.cn/info/1005/69221.htm
http://www.tju.edu.cn/info/1182/8852.htm
